模拟降雨条件下不同坡度对土壤侵蚀试验研究

闫夏娇

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

土壤侵蚀是导致土地资源退化和损失的主要原因，是目前人类生存环境所面临的最严重的挑战之一，其会造成土壤有机质流失、泥沙淤积和土地退化等，严重威胁区域的可持续发展[1]。作为水土流失的基本单元，坡面主要受降雨和坡度等因素的影响[2]。降雨是坡面产流产沙最主要的驱动因子，其强度显著影响坡面产流量和产沙量[3]。李桂芳等[4]通过模拟降雨试验研究发现，雨强从50 mm/h 增加到100 mm/h，黑土坡面侵蚀量增加4.2 倍；坡度从5°增加至10°，黑土坡面侵蚀量增加0.4 倍。而对于区域性研究，一般认为，降雨强度对土壤流失量的影响程度北方明显高于南方[5]，尤以西北黄土地区最为显著，而降雨量对土壤流失的影响程度南方却明显高于北方[6，7]。坡度是地形因子中对坡面土壤侵蚀影响最大的因素，其大小在一定程度上决定着径流侵蚀与运移能力[8]。许多学者的研究表明[9，10]，在一定的坡度范围内，随着坡度的增大，坡面径流量和侵蚀量呈增加的趋势，坡面坡度达到一定数值后，侵蚀量反而有减少的趋势，即存在临界坡度。许海超等[11]通过分析燕山土石山区野外定位观测资料，发现土壤侵蚀模数与坡度构成指数函数关系（Rz＞0.66），并存在临界坡度20.42，超过后土壤侵蚀模数大幅上升。

前人关于降雨强度和坡度对土壤侵蚀的研究极度丰富了人类对土壤侵蚀的认知，推动了水土保持科学的发展。然而，目前对于土壤侵蚀的研究多针对自然土壤，而对碱性土研究较少。本研究在现有研究成果的基础上，通过人工模拟降雨试验，分析碱性黄土侵蚀过程中的产流产沙规律，探讨碱性土壤侵蚀与降雨和土壤坡度的关系，研究成果将更好地揭示陕西黄土高原地区主要影响因子与坡地土壤侵蚀之间的关系，为黄土高原地区水土流失治理提供试验支持。

1 材料与方法

1）试验材料

试验土壤为陕西省杨凌地区黄土，组成为：沙粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.2 mm）、黏粒（≤0.002 mm）占比分别为40%、48%和12%，ESP（表示总的阳离子交换量中钠离子所占的比例）为25，即为碱性土壤。

2）试验方案与装置

本试验在中科院土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室进行，人工降雨采用双向对喷式，由计算机系统控制自动进行，降雨高度设为14 m。因室内试验受土壤坡度和降雨装置的影响，试验雨强无法与天然降雨的实际雨强保持一致，因此，本次试验分别取50 mm/h 和100 mm/h 两个降雨强度进行模拟试验。边坡坡度依次取5°、15°和25°三个水平，其它试验因素保持不变，试验设计见表1。试验采用铁板制作土槽，底部带孔，规格为100 cm×60 cm×20 cm，设3 个重复。

表1 试验设计

3）试验过程

装土前在土槽底部铺粗纺布一层，并在粗纺布上铺5 cm 厚的粗砂一层，按1.2 g/cm3的密度进行分层填装，控制层厚2 cm，层量14.4 kg，填装完毕后进行整平捣实。试验开始前对土壤进行预处理，即以20 mm/h的强度进行预降雨直到土壤坡面开始产流为止。将预处理后的土壤静置12 h 后开始做试验。试验过程中，每间隔5 min 取1 次浑水径流样，并做好相关记录，试验时长为60 min。因本次试验历时短且降雨过程中蒸发相对很小，因此本次试验中的蒸发损失忽略不计，坡面降雨量可近似等于径流量与入渗量之和。

2 试验结果

2.1 土壤坡度对坡面产流的影响

同一ESP水平下，不同雨强、不同坡度的径流量随降雨历时的变化见图1。总体而言，不同雨强、不同坡度的土壤，其径流量随降雨历时的持续而不断增长，但其又有各自不同的特点。

当雨强为50 mm/h 时，土壤坡面径流量随着坡度的增加而减小。这是因为在雨强较小时，土壤坡面产生的径流量也很小，虽然坡面流速有随坡度增加而增大的趋势，但因其位能较小，水滴对坡面的垂直打击力减小，相应的降雨对坡面土壤的侵蚀动力减弱，因此径流量也随着坡度的增加而减小。

当雨强为100 mm/h 时，坡面径流量随着坡度的增大先增加后减小。当土壤坡度从5°增加至15°时，坡面径流量随坡度的增大而增加，当土壤坡度从15°增加至25°时，径流量变为随着坡度的增加而减小。这是由于降雨强度的急速增大，导致坡面径流量开始剧增，随着水深的增加，单位径流量位能也逐渐增大，坡面流紊动性增大，水流对坡面的侵蚀作用增强。此时，径流量会随着坡度的增大而增加。而当土壤坡度增加至25°时，随着土壤坡面侵蚀量的持续增加，土壤中的致密层被径流破坏，坡面入渗量开始加大，从而导致坡面径流的减小。

2.2 土壤坡度对坡面入渗量的影响

同一ESP水平下，不同雨强、不同坡度的坡面入渗量随降雨历时的变化见图2。

关于土壤坡度与水分入渗能力的关系，目前已有很多学者开展了相关研究，但受试验条件与方法的影响，得出结论并不一致[12-14]。大多数学者认为随着土壤坡度的增加，沿坡向水层的冲力加大，而垂直于坡向的压力减小，导致入渗量随着坡度的增大而减少；但也有部分研究成果支持坡度和坡面入渗量之间没有必然联系。

图1 不同雨强、不同坡度下坡面径流量变化过程

图2 不同雨强、不同坡度下坡面入渗量变化过程

但是，本实验的结果与以往的研究结果有所不同。总体而言，不同雨强、不同坡度的土壤入渗量总体上随降雨历时的增加而减弱，最终趋于稳定。

当雨强为50 mm/h 时，随着土壤坡度的增大，入渗量也随之增加。而当雨强为100 mm/h 时，坡面入渗量随坡度的增加先减小后增加。具体为表现为：当土壤坡度从5°增加到15°时，土壤坡面入渗量随坡度的增大而减小，当土壤坡度从15°增加至25°时，土壤坡面入渗量又随坡度的增大而开始增加。

2.3 土壤坡度对坡面侵蚀量的影响

同一ESP水平下，不同雨强、不同坡度的坡面侵蚀量随降雨历时的变化见图3。

图3 不同雨强、不同坡度下土壤侵蚀量变化过程

当雨强为50 mm/h 时，三种不同坡度的土壤侵蚀量随时间的变化规律相同，即随着降雨历时的增加，坡面土壤侵蚀量出现先增加、后减小、再增加的趋势，且基本按时间均匀分布，即0～20 min 内土侵蚀量持续增加，20～40 min 内土壤侵蚀量开始减少，40～60 min内土壤侵蚀量又开始增加；在相同时段内，当土壤坡度为15°时，土壤坡面侵蚀量要相对大一些，而当土壤坡度为5°和25°时，土壤坡面侵蚀变化规律基本一致，土壤侵蚀量大致相当；而在相邻时段内，土壤坡度为15°时，土壤坡面侵蚀量的变化率比其它两个坡度大。

当雨强为100 mm/h 时，随着降雨历时的增加，不同坡度的土壤坡面侵蚀量均呈现出先急速减小后趋于稳定的趋势。而在相同时段内，当土壤坡度为5°时，土壤坡面侵蚀量要相对小一些，而坡度为25°的坡面比坡度为15°的土壤坡面侵蚀量小；而再相邻时段内，土壤坡度为15°和25°的土壤坡面侵蚀量的变化率相近，土壤坡度为5°的侵蚀量变化小于15°和25°的变化。

不同降雨条件下，随着降雨历时的增加，土壤坡面侵蚀量随坡度的增加呈现出先增加后减小的趋势，其根源为：一方面，随着坡度的增加，降雨径流在土壤坡面上停留的时间缩短，水分渗入土壤的机会变小，水流损失相应变小，而随着坡面流速的加大，土壤坡面侵蚀量随之增强。同时随着土壤坡度变陡，土壤的稳定性开始降低，抗侵蚀能力减弱，两者共同作用导致了土壤侵蚀强度随坡度的增大而增加。另一方面，单位坡面投影面积上的受雨面积随着土壤坡度的增大而增加，使得土壤坡面单位面积的承雨强度降低，受雨量减小，则土壤坡面侵蚀量必然然随之变小。因此，土壤坡面侵蚀量随坡度的增加呈现出先增大，当达到临界坡度后又逐渐减小的趋势，即存在临界坡度，但临界坡度的大小对于不同降雨强度和不同土壤规律有所不同[15]。

3 结论

1）不同雨强、不同坡度的土壤径流量表现不同。当雨强为50 mm/h 时，坡面径流量随着土壤坡度的增加而减少；而当雨强为100 mm/h 时，土壤坡面径流量随坡度的增加而增大，但当土壤坡度大于15°时，径流量随着坡度的增加开始逐渐减小。

2）总体而言，不同雨强、不同坡度的土壤入渗量随降雨历时的增加而趋于稳定。当雨强度50 mm/h时，土壤坡面入渗率随坡度增大而增加；而当雨强为100mm/h 时，土壤坡面入渗率随坡度增大先减小后增加。

3）三种坡度的侵蚀量随降雨强度不同而不同，当雨强为50 mm/h 时，三种坡度的侵蚀量随降雨历时的增加表现为先增加、后减小、再增加的趋势，其中土壤坡度为15°时表现最为明显；而当雨强为100 mm/h时，三种坡度都的土壤侵蚀量均呈现出随降雨历时的增加先急速减小（0～20 min）后趋于基本稳定的状态。

4）在一定的坡度范围内，土壤坡度越大，降雨产生的径流量越大，土壤坡面入渗量及入渗率越小，而在一定坡度内，坡面侵蚀量则随土壤坡度的增大而增加。但当土壤坡度在15°和25°之间时存在拐点，当过了拐点之后，侵蚀量又开始随着土壤坡度增加而表现出减小的趋势。

5）通过对不同雨强、不同土壤坡度的土壤侵蚀量对比，得出降雨强度对土壤累计侵蚀量的影响明显高于坡度，即降雨强度为引起陕西黄土高原地区坡面土壤侵蚀的主要影响因子。因此，对陕西黄土高原地区坡面土壤侵蚀的防治，应着重控制侵蚀性强降雨、陡坡耕种等对坡面水土流失的影响。